Umiejętności gecko do lądowania awaryjnego mogą być wykorzystane w robotyce

Naukowcy z University of California, Berkeley i Max Planck Institute for Intelligent Systems w Stuttgarcie, Niemcy, udowodnili, jak geckos używają swoich ogonów do manewrowania w powietrzu. Ta zdolność pozwala im na korektę, gdy spadają po utracie chwytu, i może również pomóc im w przemieszczaniu się po powierzchni stawu.

Wyniki badań zostaną opublikowane w tym tygodniu w czasopiśmie Nature w dziale Communications Biology.

Te techniki są bardzo przydatne w robotyce i są już wdrożone w robotach przypominających geckos.

Niespodziewane odkrycia dotyczące gecko

Robert Full jest profesorem biologii integrującej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, a Adria Jusufi jest członkiem wydziału w Max Planck Research School for Intelligent Systems i byłym doktorantem Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Oboje dokonali ważnego i zaskakującego nowego odkrycia, że geckos również używają swoich ogonów, aby pomóc w odzyskaniu, gdy wykonują skok w kierunku drzewa.

Upadki głową w dół są dość powszechne wśród gecko, a Jusufi udokumentował to za pomocą kamer wysokiej rozdzielczości.

“Obserwowanie gecko z wysokości w koronie drzewa było oświecające. Przed startem poruszały głową w górę i w dół, oraz na boki, aby ocenić odległość do lądowania przed skokiem, jakby aby ocenić odległość podróży”, powiedział Jusufi.

Nagrania pokazują, że gecko, w tym przypadku pospolite gecko azjatyckie, chwyta pień drzewa za pomocą pazurów i opuszków stóp, gdy zderza się z drzewem. To pomaga jego głowie i barkom odbić się, a gecko ma możliwość przycisnąć ogon do pnia, co zapobiega jego upadkowi do tyłu.

“Daleko od zatrzymania, niektóre z tych jaszczurek nadal przyspieszają przy uderzeniu”, powiedział Jusufi. “Uderzają głową w dół, przechylają się do tyłu, głową w dół, pod ekstremalnym kątem od pionu – wyglądają jak stojak na książki, odchylony od drzewa – zamocowane tylko tylnymi nogami i ogonem, gdy energia uderzenia jest rozpraszana. Z powodu tak szybkiego wystąpienia refleksu hamującego upadek, tylko nagranie w zwolnionym tempie mogło ujawnić podstawowy mechanizm”.

Zdaniem naukowców, inne małe i lekkie zwierzęta skaczące, takie jak jaszczurki, mogą również używać tych technik.

“Mogą one mieć dłuższe loty, które są bardziej równowagi, i lądują inaczej, ale na przykład, jeśli próbują uciec, wybierają ten rodzaj zachowania, częściowo dlatego, że rozmiar ma znaczenie”, powiedział Full. “Kiedy jesteś tak mały, masz opcje, których nie masz, gdy jesteś duży. Więc to jest rodzaj rozwiązania pośredniego, którego nie masz, gdy jesteś większy”.

Struktury podobne do ogonów gecko mogą być wykorzystane do stabilizacji latających robotów, takich jak drony, pomagając im w lądowaniu na pionowych powierzchniach.

Naukowcy są pierwszymi, którzy udokumentowali, stworzyli model matematyczny i odtworzyli to zachowanie w miękkim robocie.

“Ekspatacje są strukturami, które zostały zaadaptowane do wielu zachowań, niezależnie od tego, do czego ta struktura ewoluowała pierwotnie, i oto jeden, którego nie oczekujesz”, powiedział Full. “Można zobaczyć, jak ta niesamowita zdolność do bycia wytrzymałym pozwala tym ekspatacjom”.

“Do niedawna ogony nie otrzymywały tyle uwagi, co nogi lub skrzydła, ale teraz ludzie zdają sobie sprawę, że powinniśmy myśleć o tych zwierzętach jako o pięcionogich – pentapodialnych”, powiedział Jusufi.

Zdaniem Full, inżynierowie robotów dodają coraz więcej funkcji do robotów i uczą się, że mogą wprowadzić nową część dla każdej zdolności.

“Podczas ewolucji naszych robotów i systemów fizycznych, inżynierowie chcą robić coraz więcej rzeczy. I co się okazuje? W pewnym momencie nie możesz zoptymalizować robota do wszystkiego”, powiedział. “Musisz używać rzeczy do innych zachowań, aby uzyskać te zachowania”.

https://www.youtube.com/watch?v=LXRAWypJBPI&t=3s

Budowanie robota

Naukowcy zbudowali robota z ogonem po stworzeniu jego części za pomocą Carbon M2, najnowocześniejszej drukarki 3D zaprojektowanej specjalnie dla miękkich struktur. Stopy robota zostały wyposażone w Velcro, aby mógł on przylegać do powierzchni przy kontakcie, a ogon miał mechanizm, który powodował, że przyciskał się w dół, gdy przednie nogi robota dotykały powierzchni i ślizgały się.

Robot z ogonem wykazał podobny sukces podczas lądowania. W naturze geckos z ogonami lądują pomyślnie na pionowych powierzchniach bez upadku 87% czasu. Bezogonowe roboty wykazały zdolność do lądowania pomyślnie 15% czasu w testach, ale nowy robot z ogonem mógł lądować 55% czasu w testach.

Naukowcy odkryli również, że roboty z ogonami o połowie długości głowy i tułowia były prawie tak samo skuteczne, jak dłuższe, które miały długość od czubka głowy do końca ogona. Odkryli również, że krótkoogonowe roboty wymagały dwukrotnie większej siły nacisku na stopę, aby pozostać przytwierdzone do drzewa.

Zespół będzie kontynuował badania gecko i szukał nowych zasad, które można zastosować w robotach, szczególnie w miękkich robotach na pionowych powierzchniach.

“Ewolucja nie jest o optymalności i doskonałości, ale raczej o wystarczalności. Rozwiązanie, które jest po prostu wystarczająco dobre, naprawdę daje Ci szeroki zakres możliwości, dzięki czemu jesteś o wiele bardziej wytrzymały w trudnych środowiskach”, powiedział Full. “Ewolucja wygląda bardziej jak majsterkowicz, który nigdy nie wie, co wyprodukuje, i używa wszystkiego, co ma pod ręką, aby stworzyć coś, co jest w miarę użyteczne”.

“Małe zwierzęta drzewne bez oczywistych adaptacji morfologicznych do lotu są coraz częściej znajdywane zaskakujące zdolności do manewrowania w powietrzu. Miękkie modele fizyczne robotów mogą pomóc w rozszyfrowaniu kontroli takich mechanicznie pośredniczonych rozwiązań do lądowania”, powiedział Jusufi.